WO2024099697A1 - Fuel cell system and method for monitoring a gas tank system - Google Patents

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WO2024099697A1
WO2024099697A1 PCT/EP2023/078662 EP2023078662W WO2024099697A1 WO 2024099697 A1 WO2024099697 A1 WO 2024099697A1 EP 2023078662 W EP2023078662 W EP 2023078662W WO 2024099697 A1 WO2024099697 A1 WO 2024099697A1
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mass flow
pressure
pressure line
line system
control device
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Application number
PCT/EP2023/078662
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German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Kuhnert
Birgit LENZ
Stefan Kieferle
Markus Strasser
Nicolas WUSSLER
Martin Schwab
Dorothee Sommer
Christian Schugger
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
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    • G01M3/28—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors for pipes, cables or tubes; for pipe joints or seals; for valves ; for welds
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, in particular for a vehicle, a method for monitoring a gas tank system, which can be used e.g. in a fuel cell system.
  • Fuel cells are increasingly being used as energy converters, including in vehicles, to convert chemical energy stored in a fuel such as hydrogen together with oxygen directly into electrical energy.
  • Fuel cells have an anode, a cathode and an electrolytic membrane arranged between the anode and cathode. The fuel is oxidized at the anode and the oxygen is reduced at the cathode.
  • the fuel is usually supplied to the fuel cell via a pipe system from a tank in which the gaseous fuel is stored at high pressure.
  • a separating or shut-off valve is usually provided between the tank and a high-pressure part of the pipe system.
  • the high-pressure part is also typically connected to a pipe section connected to the fuel cell via a pressure regulator or a flow control device.
  • Leaks can occur particularly in the high-pressure part of the piping system, e.g. due to leaky valves or damage to the piping system. In order to minimize the risk of gaseous fuel escaping into the environment, it is desirable to detect such leaks as quickly and reliably as possible.
  • US 7 127 937 B2 discloses a method for detecting a leak in a fuel cell system, wherein after a fuel cell is shut down, a first and a second isolating valve are closed in order to isolate a supply line from a fuel tank through the first isolating valve and from the fuel cell through the second isolating valve. After the valves are closed, the pressure in the supply line is recorded and stored. Before the fuel cell is restarted, the pressure in the supply line is recorded again with the isolating valves closed and compared with the stored value in order to conclude that there is a leak if there is a pressure difference.
  • the present invention provides a method for monitoring a gas tank system with the features of claim 1 and a fuel cell system with the features of claim 7.
  • a method for monitoring a gas tank system comprises determining a fuel mass flow requirement of a consumer system, such as one or more fuel cells, closing a first valve device to interrupt a gas supply from a tank into a high-pressure line system that connects the tank to the consumer system, detecting a pressure curve in the high-pressure line system with the first valve device closed, in particular by means of a pressure sensor, determining a theoretical actual mass flow in the high-pressure line system based on the detected pressure curve, comparing the theoretical actual mass flow in the high-pressure line system with the determined fuel mass flow requirement of the consumer system and generating an error signal by a control device if the theoretical actual mass flow deviates from the fuel mass flow requirement by more than a threshold value.
  • a fuel mass flow requirement of a consumer system such as one or more fuel cells
  • a fuel cell system which can be provided for use in a vehicle, for example, comprises a consumer system with a fuel cell arrangement and a gas tank system with a tank for storing gas, in particular hydrogen, a high-pressure line system connected to the consumer system, a first valve device which can be switched between an open state in which it connects the tank to the high-pressure line system and a closed state in which it separates the tank from the high-pressure line system, a pressure sensor for detecting a pressure in the high-pressure line system and a control device which is connected to the first valve device, to the pressure sensor and to the consumer system in a signal-conducting manner and is designed to cause the fuel cell system to carry out a method according to the first aspect of the invention.
  • One idea underlying the invention is to close a first valve device or a separating valve device arranged between the tank and the high-pressure line system when a known mass flow is to be delivered from the high-pressure line system to the consumer system and to record the pressure curve that occurs after the closure in order to determine a theoretical actual mass flow. For example, a pressure gradient can be calculated from the pressure curve and from this, with the aid of the ideal gas equation and a mass balance of the high-pressure line system, a theoretical mass flow that leaves the high-pressure line system can be calculated. If this theoretical mass flow is compared with the known mass flow requirement that the consumer system has, it can be concluded that there is a leak, e.g. if the theoretical mass flow deviates from the mass flow requirement by more than a threshold value, either upwards or downwards.
  • An advantage of the invention is that the leakage test can be carried out in practically any state of the system, especially during operation. Since the high-pressure line system has a certain volume and therefore contains a certain volume of gas, If the fuel supply from the tank is briefly interrupted and the first valve is closed, the operation of the consumer system can be maintained. The leakage check can thus be carried out quickly and easily, so that leaks can be reliably detected, especially during operation.
  • control device can initiate all method steps and carry out various steps itself, such as steps for determining values based on measured physical quantities.
  • the control device can have a computing unit, such as a CPU, an ASIC, an FPGA or the like, and a data memory, in particular a non-volatile data memory such as a flash memory, an SD memory or the like, which can be read by the computing unit.
  • the data memory can store software that can be executed by the computing unit in order to cause the system to carry out the steps of the method.
  • the generation of the error signal by the control device comprises the generation of a first error signal which indicates the presence of a leak in the first valve device if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value.
  • the processing unit of the control device can write a first error entry into the data memory with the information that a leak in the first valve device is suspected. Concluding that there is a leak in the first valve device if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement is possible because in this case, despite the first valve device being closed, gas is still being supplied from the tank into the high-pressure line system. Consequently, the detected pressure in the high-pressure line system will not drop as much as it would with a tightly closing valve. first valve device, and the theoretical actual mass flow decreases accordingly.
  • the generation of the first error signal comprises writing an entry in a data memory (62) if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than a first threshold value and comprises issuing a warning signal and/or initiating an emergency driving mode by the control device (6) if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than a second threshold value. If a high leakage mass flow from the tank through the first valve device into the high-pressure line system is thus determined, e.g. by forming the difference between the theoretical actual mass flow and the mass flow requirement, the control device can issue a warning signal, e.g. in the form of an optical and/or acoustic signal.
  • an emergency operating mode of the consumer system can also be activated or another substitute reaction can be triggered by the error signal.
  • another substitute reaction can be triggered by the error signal.
  • the generation of the error signal by the control device includes generating a second error signal that indicates the presence of a leak in the high-pressure line system or a medium-pressure line system that is connected to the high-pressure line system if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value. If the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement, i.e. if more fuel is discharged from the high-pressure line system when the first valve device is closed than the consumer system is known to require, the detected pressure in the high-pressure line system drops faster than expected. It can be concluded from this that the gas is escaping from the high-pressure line system via other routes in the form of a leakage mass flow.
  • the generation of the second error signal comprises writing an entry in a data memory and/or issuing a warning signal and/or initiating an emergency driving mode if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than a first threshold value, and initiating a safe operating state, e.g. by closing the first valve devices, if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than a second threshold value.
  • the control device can thus, for example, switch at least the first valve device to its closed state. If only a smaller leakage mass flow escapes, an error can be written into the data memory of the control device.
  • the method can further comprise detecting a pressure in a medium-pressure line system of the consumer system, which is connected to the high-pressure line system via a flow control device, wherein the generation of the error signal by the control device comprises generating a third error signal that indicates the presence of a leak in the flow control device if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value and the pressure detected in the medium-pressure line system is greater than a medium-pressure threshold value.
  • a pressure relief valve can be provided in the medium-pressure line system, which opens when a predetermined pressure is reached in order to release gas from the medium-pressure line system into the environment. If the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement, i.e.
  • the detected pressure in the high-pressure line system drops faster than expected. It can be concluded that the gas escapes from the high pressure piping system via other routes in the form of a leakage mass flow. Furthermore, if it is known that there is a high pressure in the medium pressure piping system, e.g. a pressure above a limit value, there is a possibility that the Pressure relief valve opens when a certain amount of gas flows from the high pressure system into it. In this case, it can be concluded that there is an increased mass flow through the second valve device due to a leakage that connects the high pressure with the medium pressure line system
  • determining the fuel mass flow requirement of the consumer system includes determining an electrical voltage of the fuel cell arrangement and calculating the fuel mass flow requirement based on the electrical voltage, e.g. using a calculation model that links the electrical voltage to the fuel mass flow.
  • the calculation model can, for example, have been determined empirically, with the fuel mass flow being correlated with the electrical voltage and optionally other physical variables, such as the temperature of the fuel cell.
  • the calculation model can be present as a functional relationship and/or in the form of a characteristic map.
  • the fuel mass flow requirement can also be determined in another way, e.g. via control parameters of a metering valve connected to a fuel inlet of the consumer system.
  • the gas tank system can have a flow control device which can be switched between an open state and a closed state for connecting the high-pressure line system to the consumer system.
  • a flow control device which can be switched between an open state and a closed state for connecting the high-pressure line system to the consumer system.
  • the control device can also switch the flow control device to the closed state.
  • the second valve device can optionally be switched to the closed position or actuated in such a way that a flow through the second valve device is reduced.
  • the flow control device can generally be designed to vary a flow and thus a mass flow from the high-pressure line system into the consumer system.
  • the pressure with which the gas flows from the high-pressure line system into the consumer system can also be varied by the flow control device.
  • the flow control device can therefore also be referred to as a pressure regulator.
  • the flow control device can optionally have a second valve device, e.g. in the form of a switchable solenoid valve, which can be switched between the open state and the closed state.
  • the first valve device has a switchable solenoid valve that can be switched between the open state and the closed state.
  • the high-pressure line system has a supply connection for connecting a refueling system, wherein the supply connection is closed by a check valve against the escape of gas from the high-pressure line system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a hydraulic circuit diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 2 is a flow chart of a method according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic of a fuel cell system 200 that can be used in a vehicle, for example.
  • the fuel cell system 200 comprises a gas tank system 100 and a consumer system 205.
  • the consumer system 205 has a fuel cell arrangement 210.
  • the fuel cell arrangement 210 has at least one fuel cell, but preferably several fuel cells connected electrically in series, which are designed to convert chemical energy stored in a gaseous fuel, such as hydrogen, together with oxygen directly into electrical energy.
  • the fuel cell arrangement 210 has a fuel supply connection 211, via which gaseous fuel can be supplied to the fuel cell arrangement 210, in particular to an anode of the at least one fuel cell.
  • the gas tank system 100 is explained below by way of example with reference to the fuel cell system 200. However, the invention is not limited to this, but the gas tank system 100 and the associated methods M can also be used in combination with other consumer systems, such as gas engines or the like.
  • the gas tank system 100 has a tank 1, a high-pressure line system 2, a first valve device 3, a pressure regulator or a flow control device 5, a first pressure sensor 4, an optional second pressure sensor 7 and a control device 6.
  • the gas tank system 100 can also have a refueling connection or supply connection 20.
  • the tank 1 is designed to store gas, in particular hydrogen.
  • the tank 1 can be designed to store gas at a pressure of up to 800 bar.
  • the high-pressure line system 2 can in particular have a connecting line 21 and optionally a supply line 22, as shown schematically and purely by way of example in Fig. 1.
  • the connecting line 21 connects the tank 1 to the consumer system 205.
  • the first valve device 3 can, for example, have a switchable solenoid valve 3 that can be switched between a closed state and an open state. In general, the first valve device 3 can be switched between a closed state and an open state. As shown schematically in Fig. 1, the valve device 3 is arranged between the tank 1 and the high-pressure line system 2, in particular between the tank 1 and the connecting line 21. In the open state, the first valve device 3 connects the tank 1 to the high-pressure line system 2. In the closed state, the first valve device 3 separates the tank 1 and the high-pressure line system 2 from one another.
  • the flow control device 5 can also be switched between a closed state and an open state.
  • the flow control device 5 can have a switchable solenoid valve as a second valve device, which can be switched between a closed state and an open state.
  • the flow control device 5 can be designed to vary a gas flow or mass flow and/or a pressure of the gas.
  • the flow control device 5 is arranged between the consumer system 205 and the high-pressure line system 2, in particular between the consumer system 205 and the connecting line 21.
  • the flow control device 5 connects the consumer system 205 to the high-pressure line system 2.
  • the closed state the flow control device 5 separates the consumer system 205 and the high-pressure line system 2 from one another.
  • the supply line 22 is connected to the supply connection 20, which can be designed, for example, as a plug connection for a tank nozzle. As shown in Fig. 1, a check valve 8 can be arranged in the supply line 22, which closes the supply connection 20 against gas escaping from the high-pressure line system 2.
  • the high-pressure line system 2 forms a gas receiving volume, so that a quantity of gas stored in the high-pressure line system 2 can be removed when the first valve device 3 is closed. High pressure line system 2 with the first valve device 3 closed, gas is removed, e.g. by the consumer system 210 via the
  • the first pressure sensor 4 is connected to the high-pressure line system 2 and is designed to detect a pressure in the high-pressure line system 2.
  • the optional second pressure sensor 7 is connected to a medium-pressure line system 9, which connects the flow control device 5 to the fuel supply connection 211 of the fuel cell arrangement 210.
  • the second pressure sensor 7 is thus designed to detect the pressure in the medium-pressure line system 9.
  • a pressure relief valve 10 can be provided in the medium-pressure line system 9, which opens to release gas into the environment when the pressure in the medium-pressure line system 9 exceeds a limit value.
  • the control device 6 is shown only schematically as a block in Fig. 1 and is implemented as an electronic control device 6.
  • the control device 6 can have a computing unit 61, such as a CPU, an ASIC, an FPGA or the like, and a data memory 62, in particular a non-volatile data memory such as a flash memory, an SD memory or the like, which can be read by the computing unit.
  • the control device 6 is connected in a signal-conducting manner to the first and second valve devices 3, 5, to the pressure sensor 4, 7 and to the consumer system 205, in particular to the fuel cell arrangement 210.
  • the signal-conducting connection can be implemented, for example, by wire, e.g. via a fieldbus system, or via a wireless connection, e.g. via WiFi or the like.
  • the control device 6 is designed to cause the fuel cell system 200 to carry out the method M shown in Fig. 2.
  • software can be stored in the data memory 62 which can be executed by the computing unit 61 in order to cause the system 200 to carry out the method M.
  • the control device 6 determines a fuel mass flow requirement of the consumer system 205.
  • the control device 6 can receive an electrical voltage currently generated by the fuel cell arrangement 210 as an input variable and calculate the fuel mass flow requirement of the consumer system 205 based on this, e.g. with the help of a calculation model stored in the data memory 62, which can contain, for example, an empirically determined characteristic map or an empirically determined calculation function. In principle, other possibilities for determining the fuel mass flow requirement are also conceivable.
  • the consumer system 205 is preferably supplied with a mass flow greater than zero from the tank 1. However, the invention is not limited to this, but can also be carried out when the mass flow requirement of the consumer system 205 is zero.
  • step M2 the first valve device 3 is closed in order to interrupt a gas supply from the tank 1 into a high-pressure line system 2.
  • the control device 6 can output a control signal to the first valve device 3 in order to switch it to its closed state.
  • step M3 a pressure curve in the high-pressure line system 2 is detected or recorded by means of the first pressure sensor 4 when the first valve device 3 is closed, e.g. over a predetermined period of time, which can be between 0.5 seconds and 5 seconds.
  • a pressure in the medium-pressure line system 9 is detected by means of the second pressure sensor 7, in particular while the first valve device 3 is closed.
  • step M4 the control device 6 determines a theoretical actual mass flow in the high-pressure line system 2 based on the recorded pressure curve. For example, the control device 6 can calculate a pressure gradient from the pressure curve and use the ideal gas equation and a Mass balance over the high pressure pipe system 2 calculate the theoretical mass flow discharged from the high pressure pipe system 2 under the assumption that no leakage flows occur.
  • step M5 the control device 6 compares the calculated theoretical actual mass flow with the determined fuel mass flow requirement of the consumer system 205.
  • the theoretical actual mass flow would correspond to the determined fuel mass flow requirement, apart from measurement and calculation inaccuracies. If the theoretical actual mass flow deviates from the fuel mass flow requirement by more than a threshold value, as shown in Fig. 2 by the symbol "+”, the method proceeds to step M6.
  • the threshold value can in particular take into account the previously mentioned measurement and calculation inaccuracies. If the theoretical actual mass flow deviates from the fuel mass flow requirement by less than the threshold value, as shown in Fig. 2 by the symbol
  • step M5 a comparison is also made of the pressure in the medium-pressure line system 9 detected in step M31 with a medium-pressure threshold value.
  • step M5 a difference between the theoretical actual mass flow and the mass flow requirement can be calculated. This difference or the amount of the difference can then be compared with the threshold value to check whether the amount of the difference exceeds the threshold value. If the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value, it can be concluded that there is a leak or a leak in the first valve device 3, since in this case gas flows from the tank 1 into the high-pressure line system 2 even when the first valve device 3 is closed. Consequently, with a constant actual mass flow extraction by the consumer system 205, the pressure gradient when the valve 3 is closed is lower than would be the case if the valve 3 were to close tightly. Conversely, it can be concluded that there is a leak in the high-pressure line system 2 if more gas escapes from the high-pressure line system 2 than expected if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value.
  • step M7 the control device 6 can switch the first valve device 2 back to the open position.
  • step M6 i.e. in the case where there is a leakage mass flow, the control device 6 generates an error signal.
  • the error signal can generally be output, e.g. as a warning signal and/or the error signal can generate an error entry in the data memory 62. It is also conceivable that the error signal causes the output of a control signal by the control device 6, e.g. to actuate the first valve device 3 and/or the flow control device 5.
  • the generation of the error signal in step M6 can, for example, comprise the generation of a first error signal which indicates the presence of a leak in the first valve device 3 if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value, as explained above.
  • the control device 6 can, in particular, output a warning signal in step M6, e.g. in the form of an acoustic and/or optical signal, if the theoretical actual mass flow is less than a lower threshold value or if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than a second threshold value.
  • emergency operation of the consumer system 205 can be activated by the control device 6, e.g.
  • the computing unit 61 can use the second error signal to write an entry in the data memory 62, for example, in particular with the content that there is a leak in the first valve device 3.
  • the control device 6 can generate a second error signal in step M6, which indicates the presence of a leak in the high-pressure line system 2 or the medium-pressure line system 9, if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value.
  • the generation of the second error signal can include the output of a control signal by the control device 6 in order to block fuel extraction from the tank 1 and/or the high-pressure line system 2.
  • a safe operating state can be initiated if the theoretical actual mass flow is greater than a first upper threshold value or if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than a second threshold value.
  • the control device 6 can, for example, switch the first valve device 3 and optionally also the flow control device 5 to the closed state.
  • the computing unit 61 can use the second error signal to write a corresponding entry in a data memory 62, for example with the content that there is a leak in the high-pressure line system 2, and/or issue a warning signal and/or initiate emergency driving.
  • the generation M6 of the error signal can also include the generation of a third error signal which indicates the presence of a leak in the flow control device 5 if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value, and if it is determined in step M5 that the pressure detected in step M31 in the medium-pressure line system 9 is greater than the medium-pressure threshold value.
  • the flow control device 5 lets through more mass flow than at the respective degree of opening of the second Valve device 5 would be expected, and as a result the pressure relief valve 10 opens due to the high pressure in the medium pressure line system 9.

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Abstract

A method for monitoring a gas system comprises determining a fuel mass-flow-rate requirement of a consumer system (e.g. a fuel cell system comprising a fuel cell assembly), closing a first valve device in order to interrupt a gas feed from a tank into a high-pressure pipe system connecting the tank to the consumer system, capturing a pressure curve in the high-pressure pipe system while the first valve device is closed, in particular by means of a pressure sensor, determining a theoretical actual mass flow rate in the high-pressure pipe system on the basis of the captured pressure curve, comparing the theoretical actual mass flow rate in the high-pressure pipe system with the determined fuel mass-flow-rate requirement of the consumer system, and generating an error signal by means of a control device if the theoretical actual mass flow rate deviates from the fuel mass-flow-rate requirement by more than a threshold value.

Description

Beschreibung Description
Titel
Figure imgf000003_0001
und Verfahren zum Überwachen eines
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title
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and method for monitoring a
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Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, ein Verfahren zum Überwachen eines Gastanksystems, das z.B. in einem Brennstoffzellensystem verwendet werden kann. The present invention relates to a fuel cell system, in particular for a vehicle, a method for monitoring a gas tank system, which can be used e.g. in a fuel cell system.
Stand der Technik State of the art
Brennstoffzellen kommen zunehmend als Energiewandler, unter anderem auch in Fahrzeugen, zum Einsatz, um in einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen weisen eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete elektrolytische Membrane auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs. Fuel cells are increasingly being used as energy converters, including in vehicles, to convert chemical energy stored in a fuel such as hydrogen together with oxygen directly into electrical energy. Fuel cells have an anode, a cathode and an electrolytic membrane arranged between the anode and cathode. The fuel is oxidized at the anode and the oxygen is reduced at the cathode.
Der Brennstoff wird der Brennstoffzelle üblicherweise über ein Leitungssystem aus einem Tank zugeführt, in dem der gasförmige Brennstoff bei hohem Druck gespeichert ist. Zwischen dem Tank und einem Hochdruckteil des Leitungssystems ist in der Regel ein Trenn- oder Absperrventil vorgesehen. Der Hochdruckteil ist außerdem typischerweise über einen Druckregler bzw. eine Durchflussregeleinrichtung mit einem mit der Brennstoffzelle verbundenen Leitungsteil verbunden. The fuel is usually supplied to the fuel cell via a pipe system from a tank in which the gaseous fuel is stored at high pressure. A separating or shut-off valve is usually provided between the tank and a high-pressure part of the pipe system. The high-pressure part is also typically connected to a pipe section connected to the fuel cell via a pressure regulator or a flow control device.
Insbesondere im Hochduckteil des Leitungssystems können Leckagen auftreten, z.B. durch undichte Ventile oder durch Beschädigungen am Leitungssystem. Um einen Austritt von gasförmigem Brennstoff in die Umgebung möglichst gering zu halten, ist es wünschenswert, solche Leckagen möglichst schnell und zuverlässig zu erkennen. Leaks can occur particularly in the high-pressure part of the piping system, e.g. due to leaky valves or damage to the piping system. In order to minimize the risk of gaseous fuel escaping into the environment, it is desirable to detect such leaks as quickly and reliably as possible.
Die US 7 127 937 B2 offenbart ein Verfahren zum Detektieren einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem, wobei nach bei einem Herunterfahren einer Brennstoffzelle ein erstes und ein zweites Trennventil geschlossen werden, um eine Versorgungsleitung durch das erste Trennventil von einem Brennstofftank und durch das zweite Trennventil von der Brennstoffzelle zu trennen. Nach dem Schließen der Ventile wird der Druck in der Versorgungsleitung erfasst und gespeichert. Vor einem Wiederhochfahren der Brennstoffzelle wird bei geschlossenen Trennventilen der Druck in der Versorgungsleitung erneut erfasst und mit dem gespeicherten Wert verglichen, um bei Vorliegen einer Druckdifferenz auf eine Leckage zu schließen. US 7 127 937 B2 discloses a method for detecting a leak in a fuel cell system, wherein after a fuel cell is shut down, a first and a second isolating valve are closed in order to isolate a supply line from a fuel tank through the first isolating valve and from the fuel cell through the second isolating valve. After the valves are closed, the pressure in the supply line is recorded and stored. Before the fuel cell is restarted, the pressure in the supply line is recorded again with the isolating valves closed and compared with the stored value in order to conclude that there is a leak if there is a pressure difference.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Gastanksystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 bereit. Against this background, the present invention provides a method for monitoring a gas tank system with the features of claim 1 and a fuel cell system with the features of claim 7.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst Verfahren zum Überwachen eines Gastanksystems ein Ermitteln eines Brennstoffmassenstrombedarfs eines Verbrauchersystems, wie z.B. einer oder mehreren Brennstoffzellen, ein Schließen einer ersten Ventileinrichtung, um eine Gaszufuhr aus einem Tank in ein Hochdruckleitungssystem, das den Tank mit dem Verbrauchersystem verbindet, zu unterbrechen, ein Erfassen eines Druckverlaufs in dem Hochdruckleitungssystem bei geschlossener erster Ventileinrichtung, insbesondere mittels eines Drucksensors, ein Ermitteln eines theoretischen Ist- Massenstroms in dem Hochdruckleitungssystem basierend auf dem erfassten Druckverlauf, ein Vergleichen des theoretischen Ist-Massenstroms in dem Hochdruckleitungssystem mit dem ermittelten Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems und ein Erzeugen eines Fehlersignals durch eine Steuerungseinrichtung, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als einen Schwellwert von dem Brennstoffmassenstrombedarf abweicht. Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Brennstoffzellensystem, das z.B. zum Einsatz in einem Fahrzeug vorgesehen sein kann, ein Verbrauchersystem mit einer Brennstoffzellenanordnung und ein Gastanksystem mit einem Tank zum Speichern von Gas, insbesondere Wasserstoff, einem mit dem Verbrauchersystem verbundenen Hochdruckleitungssystem, einer ersten Ventileinrichtung, welche zwischen einem geöffneten Zustand, in dem sie den Tank mit dem Hochdruckleitungssystem verbindet, und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist, in dem sie den Tank von dem Hochdruckleitungssystem trennt, einem Drucksensor zum Erfassen eines Drucks im Hochdruckleitungssystem und einer Steuerungseinrichtung, welche mit der ersten Ventileinrichtung, mit dem Drucksensor und dem Verbrauchersysstem signalleitend verbunden und dazu eingerichtet ist, das Brennstoffzellensystem zur Ausführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung zu veranlassen. According to a first aspect of the invention, a method for monitoring a gas tank system comprises determining a fuel mass flow requirement of a consumer system, such as one or more fuel cells, closing a first valve device to interrupt a gas supply from a tank into a high-pressure line system that connects the tank to the consumer system, detecting a pressure curve in the high-pressure line system with the first valve device closed, in particular by means of a pressure sensor, determining a theoretical actual mass flow in the high-pressure line system based on the detected pressure curve, comparing the theoretical actual mass flow in the high-pressure line system with the determined fuel mass flow requirement of the consumer system and generating an error signal by a control device if the theoretical actual mass flow deviates from the fuel mass flow requirement by more than a threshold value. According to a second aspect of the invention, a fuel cell system, which can be provided for use in a vehicle, for example, comprises a consumer system with a fuel cell arrangement and a gas tank system with a tank for storing gas, in particular hydrogen, a high-pressure line system connected to the consumer system, a first valve device which can be switched between an open state in which it connects the tank to the high-pressure line system and a closed state in which it separates the tank from the high-pressure line system, a pressure sensor for detecting a pressure in the high-pressure line system and a control device which is connected to the first valve device, to the pressure sensor and to the consumer system in a signal-conducting manner and is designed to cause the fuel cell system to carry out a method according to the first aspect of the invention.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, bei einem bekannten vom Hochdruckleitungssystem in das Verbrauchersystem zu lieferenden Massenstrom eine erste Ventileinrichtung bzw. eine Trennventileinrichtung, die zwischen dem Tank und dem Hochdruckleitungssystem angeordnet ist, zu schließen und den sich nach dem Schließen einstellenden Druckverlauf zu erfassen, um daraus einen theoretischen Ist-Massenstrom zu ermitteln. Z.B. kann aus dem Druckverlauf ein Druckgradient und draus unter Zuhilfenahme der idealen Gasgleichung und einer Massenbilanz des Hochdruckleitungssystems ein theoretischer Massenstrom berechnet werden, der das Hochdruckleitungssystem verlässt. Wenn dieser theoretische Massenstrom mit dem bekannten Massenstrombedarf verglichen wird, den das Verbrauchersystem hat, kann daraus auf das Vorliegen einer Leckage gefolgert werden, z.B. wenn der theoretische Massenstrom um mehr als einen Schwellwert nach oben oder unten von dem Massenstrombedarf abweicht. One idea underlying the invention is to close a first valve device or a separating valve device arranged between the tank and the high-pressure line system when a known mass flow is to be delivered from the high-pressure line system to the consumer system and to record the pressure curve that occurs after the closure in order to determine a theoretical actual mass flow. For example, a pressure gradient can be calculated from the pressure curve and from this, with the aid of the ideal gas equation and a mass balance of the high-pressure line system, a theoretical mass flow that leaves the high-pressure line system can be calculated. If this theoretical mass flow is compared with the known mass flow requirement that the consumer system has, it can be concluded that there is a leak, e.g. if the theoretical mass flow deviates from the mass flow requirement by more than a threshold value, either upwards or downwards.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Leckageüberprüfung in praktisch jedem Zustand des Systems, insbesondre auch während des Betriebs durchgeführt werden kann. Da das Hochduckleitungssystem eine gewisses Volumen aufweist und damit ein gewisses Volumen an Gas enthält, kann auch bei einer kurzen Unterbrechung der Brennstoffzufuhr aus dem Tank bei geschlossener erster Ventileinrichtung der Betrieb des Verbrauchersystems aufrecht erhalten werden. Die Leckageüberprüfung lasst sich somit schnell und auf einfache Weise durchführen, so dass Leckagen zuverlässig erkannt werden, insbesondere auch während des Betriebs. An advantage of the invention is that the leakage test can be carried out in practically any state of the system, especially during operation. Since the high-pressure line system has a certain volume and therefore contains a certain volume of gas, If the fuel supply from the tank is briefly interrupted and the first valve is closed, the operation of the consumer system can be maintained. The leakage check can thus be carried out quickly and easily, so that leaks can be reliably detected, especially during operation.
Die hierin im Zusammenhang mit einem Aspekt der Erfindung offenbarten Merkmale und Vorteile sind auch für die jeweils anderen Aspekte offenbart. Insbesondere kann die Steuerungseinrichtung sämtliche Verfahrensschritte initiieren und verschiedene Schritte, wie z.B. Schritte zum Ermitteln von Werten anhand gemessener physikalischer Größen, selbst ausführen. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung eine Recheneinheit, wie z.B. eine CPU, einen ASIC, einen FPGA oder dergleichen, und einen Datenspeicher, insbesondere einen nicht-flüchtigen Datenspeicher wie einen Flash-Speicher, einen SD- Speicher oder dergleichen aufweisen, der durch die Recheneinheit lesbar ist. Der Datenspeicher kann Software speichern, die durch die Recheneinheit ausführbar ist, um das System zur Ausführung der Schritte des Verfahrens zu veranlassen. The features and advantages disclosed herein in connection with one aspect of the invention are also disclosed for the other aspects. In particular, the control device can initiate all method steps and carry out various steps itself, such as steps for determining values based on measured physical quantities. For example, the control device can have a computing unit, such as a CPU, an ASIC, an FPGA or the like, and a data memory, in particular a non-volatile data memory such as a flash memory, an SD memory or the like, which can be read by the computing unit. The data memory can store software that can be executed by the computing unit in order to cause the system to carry out the steps of the method.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung. Advantageous embodiments and further developments emerge from the further subclaims and from the description with reference to the figures of the drawing.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Erzeugen des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung ein Erzeugen eines ersten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage in der ersten Ventileinrichtung anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Beispielsweise kann die Recheneinheit der Steuerungseinrichtung einen ersten Fehlereintrag mit der Information in den Datenspeicher schreiben, dass eine Leckage in der ersten Ventileinrichtung vermutet wird. Das Schließen auf eine Leckage in der ersten Ventileinrichtung, wenn der theoretische Ist-Massenstrom kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, ist deshalb möglich, weil in diesem Fall trotz geschlossener erster Ventileinrichtung noch Gas aus dem Tank in das Hochdruckleitungssystem nachgeliefert wird. Folglich wird der erfasste Druck im Hochdruckleitungssystem nicht so stark abfallen, wie dies bei dicht schließender erster Ventileinrichtung der Fall wäre, und der theoretische Ist- Massenstrom sinkt entsprechend. According to some embodiments, it can be provided that the generation of the error signal by the control device comprises the generation of a first error signal which indicates the presence of a leak in the first valve device if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value. For example, the processing unit of the control device can write a first error entry into the data memory with the information that a leak in the first valve device is suspected. Concluding that there is a leak in the first valve device if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement is possible because in this case, despite the first valve device being closed, gas is still being supplied from the tank into the high-pressure line system. Consequently, the detected pressure in the high-pressure line system will not drop as much as it would with a tightly closing valve. first valve device, and the theoretical actual mass flow decreases accordingly.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Erzeugen des ersten Fehlersignals ein Schreiben eines Eintrags in einen Datenspeicher (62) umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist und ein Ausgeben eines Warnsignals und/oder Einleiten eines Notfahrbetriebs durch die Steuerungseinrichtung (6) umfasst, wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist.. Wenn somit ein hoher Leckagemassenstrom aus dem Tank durch die erste Ventileinrichtung in das Hochdruckleitungssystem ermittelt wird, z.B. durch Bilden der Differenz zwischen dem theoretischen Ist-Massenstrom und dem Massenstrombedarf, kann die Steuerungseinrichtung ein Warnsignal, z.B. in Form eines optischen und/oder akustischen Signals ausgeben. Optional kann auch ein Notbetriebsmodus des Verbrauchersystems aktiviert oder eine andere Ersatzreaktion durch das Fehlersignal ausgelöst werden. In dem Fall, dass nur ein kleiner Leckagemassenstrom aus dem Tank durch die erste Ventileinrichtung in das Hochdruckleitungssystem ermittelt wird, kann es ausreichen, einen entsprechenden Fehlereintrag in den Datenspeicher der Steuerungseinrichtung zu schreiben. According to some embodiments, it can be provided that the generation of the first error signal comprises writing an entry in a data memory (62) if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than a first threshold value and comprises issuing a warning signal and/or initiating an emergency driving mode by the control device (6) if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than a second threshold value. If a high leakage mass flow from the tank through the first valve device into the high-pressure line system is thus determined, e.g. by forming the difference between the theoretical actual mass flow and the mass flow requirement, the control device can issue a warning signal, e.g. in the form of an optical and/or acoustic signal. Optionally, an emergency operating mode of the consumer system can also be activated or another substitute reaction can be triggered by the error signal. In the event that only a small leakage mass flow from the tank through the first valve device into the high-pressure line system is detected, it may be sufficient to write a corresponding error entry into the data memory of the control device.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Erzeugen des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung ein Erzeugen eines zweiten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage in dem Hochdruckleitungssystem oder einem Mitteldruckleitungssystem, welches mit dem Hochdruckleitungssystemverbunden ist, anzeigt, wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, wenn also bei geschlossener erster Ventileinrichtung mehr Brennstoff aus dem Hochdruckleitungssystem abgeführt wird, als das Verbrauchersystem bekanntermaßen benötigt, sinkt der erfasste Druck im Hochdruckleitungssystem schneller, als erwartet ab. Daraus kann gefolgert werden, dass das Gas über andere Wege in Form eines Leckagemassenstroms aus dem Hochdruckleitungssystem entweicht. Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Erzeugen des zweiten Fehlersignal ein Schreiben eines Eintrags in einen Datenspeicher umfasst und/oder Ausgeben eines Warnsignals umfasst und/oder Einleiten eines Notfahrbetriebs umfasst, wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, und ein Einleiten eines sicheren Betriebszustands, z.B. durch Schließen der ersten Ventileinrichtungen, umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Wenn der Leckagemassenstrom groß ist, kann die Steuerungseinrichtung somit z.B. zumindest die erste Ventileinrichtung in ihren geschlossenen Zustand schalten. Wenn lediglich ein geringerer Leckagemassenstrom entweicht, kann ein Fehler in den Datenspeicher der Steuerungseinrichtung geschrieben werden. According to some embodiments, it can be provided that the generation of the error signal by the control device includes generating a second error signal that indicates the presence of a leak in the high-pressure line system or a medium-pressure line system that is connected to the high-pressure line system if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value. If the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement, i.e. if more fuel is discharged from the high-pressure line system when the first valve device is closed than the consumer system is known to require, the detected pressure in the high-pressure line system drops faster than expected. It can be concluded from this that the gas is escaping from the high-pressure line system via other routes in the form of a leakage mass flow. According to some embodiments, it can be provided that the generation of the second error signal comprises writing an entry in a data memory and/or issuing a warning signal and/or initiating an emergency driving mode if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than a first threshold value, and initiating a safe operating state, e.g. by closing the first valve devices, if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than a second threshold value. If the leakage mass flow is large, the control device can thus, for example, switch at least the first valve device to its closed state. If only a smaller leakage mass flow escapes, an error can be written into the data memory of the control device.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Erfassen eines Drucks in einem Mitteldruckleitungssystems des Verbrauchersystems umfassen, welches über eine Durchflussregeleinrichtung an das Hochdruckleitungssystem angeschlossen ist, wobei das Erzeugen des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung ein Erzeugen eines dritten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage der Durchflussregeleinrichtunganzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist und der in dem Mitteldruckleitungssystem erfasste Druck größer einem Mitteldruckschwellwert liegt. In dem Mitteldruckleitungssystem kann insbesondere ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen sein, das bei erreichen eines vorbestimmten Drucks öffnet, um Gas aus dem Mitteldruckleitungssystem in die Umgebung zu entlassen. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, wenn also bei geschlossener erster Ventileinrichtung mehr Brennstoff aus dem Hochdruckleitungssystem abgeführt wird, als das Verbrauchersystem bekanntermaßen benötigt, sinkt der erfasste Druck im Hochdruckleitungssystem schneller, als erwartet ab. Daraus kann gefolgert werden, dass das Gas über andere Wege in Form eines Leckagemassenstroms aus dem Hochdruckleitungssystem entweicht. Wenn ferner bekannt ist, dass im Mitteldruckleitungssystem ein hoher Druck herscht, z.B. ein Druck oberhalb eines Grenzwerts, besteht die Möglichkeit, dass das Druckbegrenzungsventil öffnet, wenn eine bestimmte Menge an Gas aus dem Hochdrucksystem in dieses nachströmt. In diesem Fall kann auf einen erhöten Massenstrom durch die zweite Ventileinrichtung aufgrund einer Leckage geschlossen werden, die das Hochdruck- mit dem Mitteldruckleitungssystem verbindet According to some embodiments, the method can further comprise detecting a pressure in a medium-pressure line system of the consumer system, which is connected to the high-pressure line system via a flow control device, wherein the generation of the error signal by the control device comprises generating a third error signal that indicates the presence of a leak in the flow control device if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value and the pressure detected in the medium-pressure line system is greater than a medium-pressure threshold value. In particular, a pressure relief valve can be provided in the medium-pressure line system, which opens when a predetermined pressure is reached in order to release gas from the medium-pressure line system into the environment. If the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement, i.e. if more fuel is discharged from the high-pressure line system when the first valve device is closed than the consumer system is known to require, the detected pressure in the high-pressure line system drops faster than expected. It can be concluded that the gas escapes from the high pressure piping system via other routes in the form of a leakage mass flow. Furthermore, if it is known that there is a high pressure in the medium pressure piping system, e.g. a pressure above a limit value, there is a possibility that the Pressure relief valve opens when a certain amount of gas flows from the high pressure system into it. In this case, it can be concluded that there is an increased mass flow through the second valve device due to a leakage that connects the high pressure with the medium pressure line system
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln des Brennstoffmassenstrombedarfs des Verbrauchersystems ein Ermitteln einer elektrischen Spannung der Brennstoffzellenanordnung und ein Berechnen des Brennstoffmassenstrombedarfs basierend auf der elektrischen Spannung umfasst, z.B. mithilfe eines Rechenmodells, welches die elektrische Spannung mit dem Brennstoffmassenstrom verknüpft. Das Rechenmodell kann z.B. empirisch bestimmt worden sein, wobei der Brennstoffmassenstrom mit der elektrischen Spannung und optional weiteren physikalischen Größen, wie z.B. der Temperatur der Brennstoffzelle, korreliert wird. Das Rechenmodell kann als funktionaler Zusammenhang und/oder in Form eines Kennfeldes vorliegen. Die Ermittlung des Brennstoffmassenstrombedarfs kann auch in anderer Weise erfolgen, z.B. über Ansteuerparameter eines mit einem Brennstoffeinlass des Verbrauchersystems verbundenen Dosierventils. According to some embodiments, it can be provided that determining the fuel mass flow requirement of the consumer system includes determining an electrical voltage of the fuel cell arrangement and calculating the fuel mass flow requirement based on the electrical voltage, e.g. using a calculation model that links the electrical voltage to the fuel mass flow. The calculation model can, for example, have been determined empirically, with the fuel mass flow being correlated with the electrical voltage and optionally other physical variables, such as the temperature of the fuel cell. The calculation model can be present as a functional relationship and/or in the form of a characteristic map. The fuel mass flow requirement can also be determined in another way, e.g. via control parameters of a metering valve connected to a fuel inlet of the consumer system.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Gastanksystem eine Durchflussregeleinrichtungaufweist, welche zum Anschluss des Hochdruckleitungssystems an das Verbrauchersystem zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung in dem Fall, dass der theoretische Ist- Massenstrom größer dem ersten oberen Schwellwert ist, die Durchflussregeleinrichtungebenfalls in den geschlossenen Zustand schalten. In dem Fall, dass der theoretische Ist-Massenstrom kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, also in dem Fall, in dem eine Leckage bzw. Undichtigkeit in der ersten Ventileinrichtung vorliegt, kann die zweite Ventileinrichtung optional in die geschlossene Stellung geschaltet werden oder so betätigt werden, dass ein Durchfluss durch die zweite Ventileinrichtung verringert wird. Die Durchflussregeleinrichtung kann allgemein dazu eingerichtet sein, einen Durchfluss und somit einen Massenstrom in aus dem Hochdruckleitungssystem in das Verbrauchersystem zu variieren. Analog kann dadurch auch der Druck, mit dem das Gas aus dem Hochdruckleitungssystem in das Verbrauchersystem strömt, durch die Durchflussregeleinrichtung variiert werden. Daher kann die Durchflussregeleinrichtung auch als Druckregler bezeichnet werden. Die Durchflussregeleinrichtung kann optional eine zweite Ventileinrichtung, z.B. in Form eines schaltbaren Magnetventils, aufweisen, welche zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand schaltbar ist. According to some embodiments, the gas tank system can have a flow control device which can be switched between an open state and a closed state for connecting the high-pressure line system to the consumer system. For example, if the theoretical actual mass flow is greater than the first upper threshold value, the control device can also switch the flow control device to the closed state. If the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement, i.e. if there is a leak in the first valve device, the second valve device can optionally be switched to the closed position or actuated in such a way that a flow through the second valve device is reduced. The flow control device can generally be designed to vary a flow and thus a mass flow from the high-pressure line system into the consumer system. Analogously, the pressure with which the gas flows from the high-pressure line system into the consumer system can also be varied by the flow control device. The flow control device can therefore also be referred to as a pressure regulator. The flow control device can optionally have a second valve device, e.g. in the form of a switchable solenoid valve, which can be switched between the open state and the closed state.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die erste Ventileinrichtung ein schaltbares Magnetventil aufweist, das zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand schaltbar ist. According to some embodiments, it can be provided that the first valve device has a switchable solenoid valve that can be switched between the open state and the closed state.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Hochdruckleitungssystem einen Zufuhranschluss zum Anschließen eines Betankungssystems aufweist, wobei der Zufuhranschluss durch ein Rückschlagventil gegen ein Austreten von Gas aus dem Hochdruckleitungssystem verschlossen ist. According to some embodiments, it can be provided that the high-pressure line system has a supply connection for connecting a refueling system, wherein the supply connection is closed by a check valve against the escape of gas from the high-pressure line system.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen: The invention is explained below with reference to the figures of the drawings. The figures show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Schaltbilds eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und Fig. 1 is a schematic representation of a hydraulic circuit diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the invention; and
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 is a flow chart of a method according to an embodiment of the invention.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist. In the figures, the same reference symbols designate identical or functionally identical components, unless otherwise stated.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 200, das z.B. in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ein Gastanksystem 100 und ein Verbrauchersystem 205. Wie in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellt, weist das Verbrauchersystem 205 eine Brennstoffzellenanordnung 210 auf. Die Brennstoffzellenanordnung 210 weist zumindest eine Brennstoffzelle, vorzugsweise jedoch mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen auf, die dazu eingerichtet sind, in einem gasförmigen Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Wie in Fig. 1 weiterhin schematisch dargestellt, weist die Brennstoffzellenanordnung 210 einen Brennstoffzufuhranschluss 211 auf, über den der Brennstoffzellenanordnung 210, insbesondere einer Anode der zumindest einen Brennstoffzelle, gasförmiger Brennstoff zuführbar ist. Fig. 1 shows a schematic of a fuel cell system 200 that can be used in a vehicle, for example. The fuel cell system 200 comprises a gas tank system 100 and a consumer system 205. As shown only schematically in Fig. 1, the consumer system 205 has a fuel cell arrangement 210. The fuel cell arrangement 210 has at least one fuel cell, but preferably several fuel cells connected electrically in series, which are designed to convert chemical energy stored in a gaseous fuel, such as hydrogen, together with oxygen directly into electrical energy. As also shown schematically in Fig. 1, the fuel cell arrangement 210 has a fuel supply connection 211, via which gaseous fuel can be supplied to the fuel cell arrangement 210, in particular to an anode of the at least one fuel cell.
Das Gastanksystem 100 wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf das Brennstoffzellensystem 200 erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern das Gastanksystem 100 und die zugehörigen Verfahren M können auch in Kombination mit anderen Verbrauchersystemen eingesetzt werden, wie z.B. Gasmotoren oder ähnlichem. The gas tank system 100 is explained below by way of example with reference to the fuel cell system 200. However, the invention is not limited to this, but the gas tank system 100 and the associated methods M can also be used in combination with other consumer systems, such as gas engines or the like.
Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, weist das Gastanksystem 100 einen Tank 1 , ein Hochdruckleitungssystem 2, eine erste Ventileinrichtung 3, einen Druckregler bzw. eine Durchflussregeleinrichtung 5, einen ersten Drucksensor 4, einen optionalen zweiten Drucksensor 7 und eine Steuerungseinrichtung 6 auf. Optional kann das Gastanksystem 100 ferner einen Betankungsanschluss oder Zufuhranschluss 20 aufweisen. As shown schematically in Fig. 1, the gas tank system 100 has a tank 1, a high-pressure line system 2, a first valve device 3, a pressure regulator or a flow control device 5, a first pressure sensor 4, an optional second pressure sensor 7 and a control device 6. Optionally, the gas tank system 100 can also have a refueling connection or supply connection 20.
Der Tank 1 ist zum Speichern von Gas, insbesondere Wasserstoff, ausgebildet. Beispielsweise kann der Tank 1 dazu ausgelegt sein, Gas bei einem Druck von bis zu 800 bar zu speichern. The tank 1 is designed to store gas, in particular hydrogen. For example, the tank 1 can be designed to store gas at a pressure of up to 800 bar.
Das Hochdruckleitungssystem 2 kann insbesondere eine Verbindungsleitung 21 und optional eine Zufuhrleitung 22 aufweisen, wie dies in Fig. 1 schematisch und rein beispielhaft dargestellt ist. Die Verbindungsleitung 21 verbindet den Tank 1 mit dem Verbrauchersystem 205. Die erste Ventileinrichtung 3 kann z.B. ein schaltbares Magnetventil 3 aufweisen, das zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand schaltbar ist Allgemein ist die erste Ventileinrichtung 3 zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand schaltbar. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, ist die Ventileinrichtung 3 zwischen dem Tank 1 und dem Hochdruckleitungssystem 2, insbesondere zwischen dem Tank 1 und der Verbindungsleitung 21 angeordnet. Im geöffneten Zustand verbindet die erste Ventileinrichtung 3 den Tank 1 mit dem Hochdruckleitungssystem 2. Im geschlossenen Zustand trennt die erste Ventileinrichtung 3 den Tank 1 und das Hochdruckleitungssystem 2 voneinander. The high-pressure line system 2 can in particular have a connecting line 21 and optionally a supply line 22, as shown schematically and purely by way of example in Fig. 1. The connecting line 21 connects the tank 1 to the consumer system 205. The first valve device 3 can, for example, have a switchable solenoid valve 3 that can be switched between a closed state and an open state. In general, the first valve device 3 can be switched between a closed state and an open state. As shown schematically in Fig. 1, the valve device 3 is arranged between the tank 1 and the high-pressure line system 2, in particular between the tank 1 and the connecting line 21. In the open state, the first valve device 3 connects the tank 1 to the high-pressure line system 2. In the closed state, the first valve device 3 separates the tank 1 and the high-pressure line system 2 from one another.
Die Durchflussregeleinrichtung 5 ist ebenfalls zwischen einem zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand schaltbar. Beispielsweise kann die Durchflussregeleinrichtung 5 ein schaltbares Magnetventil als zweite Ventileinrichtung aufweisen, das zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand schaltbar ist. Allgemein kann die Durchflussregeleinrichtung 5 dazu ausgebildet sein, einen Gasdurchfluss bzw. - massenstrom und/oder einen Druck des Gases zu variieren. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, ist die Durchflussregeleinrichtung 5 zwischen dem Verbrauchersystem 205 und dem Hochdruckleitungssystem 2, insbesondere zwischen dem Verbrauchersystem 205 und der Verbindungsleitung 21 angeordnet. Im geöffneten Zustand verbindet die Durchflussregeleinrichtung 5 das Verbrauchersystem 205 mit dem Hochdruckleitungssystem 2. Im geschlossenen Zustand trennt die Durchflussregeleinrichtung 5 das Verbrauchersystem 205 und das Hochdruckleitungssystem 2 voneinander. The flow control device 5 can also be switched between a closed state and an open state. For example, the flow control device 5 can have a switchable solenoid valve as a second valve device, which can be switched between a closed state and an open state. In general, the flow control device 5 can be designed to vary a gas flow or mass flow and/or a pressure of the gas. As shown schematically in Fig. 1, the flow control device 5 is arranged between the consumer system 205 and the high-pressure line system 2, in particular between the consumer system 205 and the connecting line 21. In the open state, the flow control device 5 connects the consumer system 205 to the high-pressure line system 2. In the closed state, the flow control device 5 separates the consumer system 205 and the high-pressure line system 2 from one another.
Die Zufuhrleitung 22 ist mit dem Zufuhranschluss 20, welcher z.B. als Steckanschluss für einen Tankstutzen ausgebildet sein kann, verbunden. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann in der Zufuhrleitung 22 ein Rückschlagventil 8 angeordnet sein, das den Zufuhranschluss 20 gegen ein Austreten von Gas aus dem Hochdruckleitungssystem 2 verschließt. The supply line 22 is connected to the supply connection 20, which can be designed, for example, as a plug connection for a tank nozzle. As shown in Fig. 1, a check valve 8 can be arranged in the supply line 22, which closes the supply connection 20 against gas escaping from the high-pressure line system 2.
Das Hochdruckleitungssystem 2 bildet ein Aufnahmevolumen für Gas aus, so dass dem Hochdruckleitungssystem 2 bei geschlossener erster Ventileinrichtung 3 eine darin gespeicherte Menge an Gas entnommen werden kann. Wird dem Hochdruckleitungssystem 2 bei geschlossener erster Ventileinrichtung 3 Gas entnommen, z.B. durch das Verbrauchersystem 210 über dieThe high-pressure line system 2 forms a gas receiving volume, so that a quantity of gas stored in the high-pressure line system 2 can be removed when the first valve device 3 is closed. High pressure line system 2 with the first valve device 3 closed, gas is removed, e.g. by the consumer system 210 via the
Durchflussregeleinrichtung 5, sinkt der Druck im Hochdruckleitungssystem 2. Flow control device 5, the pressure in the high pressure line system 2 drops.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der erste Drucksensor 4 ist mit dem Hochdruckleitungssystem 2 verbunden und dazu eingerichtet, einen Druck im Hochdruckleitungssystem 2 zu erfassen. Der optionale zweite Drucksensor 7 ist mit einem Mitteldruckleitungssystem 9 verbunden, welches die Durchflussregeleinrichtung 5 mit dem Brennstoffzufuhranschluss 211 der Brennstoffzellenanordnung 210 verbindet. Der zweite Drucksensor 7 ist somit dazu eingerichtet, den Druck im Mitteldruckleitungssystem 9 zu erfassen. Wie in Fig. 1 ferner schematisch dargestellt ist, kann in dem Mitteldruckleitungssystem 9 ein Druckbegrenzungsventil 10 vorgesehen sein, welches öffnet, um Gas in die Umgebung abzulassen, wenn der Druck im Mitteldruckleitungssystem 9 einen Grenzwert überschreitet. As shown in Fig. 1, the first pressure sensor 4 is connected to the high-pressure line system 2 and is designed to detect a pressure in the high-pressure line system 2. The optional second pressure sensor 7 is connected to a medium-pressure line system 9, which connects the flow control device 5 to the fuel supply connection 211 of the fuel cell arrangement 210. The second pressure sensor 7 is thus designed to detect the pressure in the medium-pressure line system 9. As is also shown schematically in Fig. 1, a pressure relief valve 10 can be provided in the medium-pressure line system 9, which opens to release gas into the environment when the pressure in the medium-pressure line system 9 exceeds a limit value.
Die Steuerungseinrichtung 6 ist in Fig. 1 lediglich schematisch als Block dargestellt und ist als elektronische Steuerungseinrichtung 6 realisiert. Wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt, kann die Steuerungseinrichtung 6 eine Recheneinheit 61 , wie z.B. eine CPU, einen ASIC, einen FPGA oder dergleichen, und einen Datenspeicher 62, insbesondere einen nicht-flüchtigen Datenspeicher wie einen Flash-Speicher, einen SD-Speicher oder dergleichen aufweisen, der durch die Recheneinheit lesbar ist. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, ist die Steuerungseinrichtung 6 mit der ersten und der zweiten Ventileinrichtung 3, 5, mit den Drucksensor 4, 7 und mit dem Verbrauchersystem 205, insbesondere mit der Brennstoffzellenanordnung 210, signalleitend verbunden. Die signalleitende Verbindung kann beispielsweise drahtgebunden, z.B. über ein Feldbus-System, oder über eine drahtlose Verbindung realisiert sein, z.B. über WiFi oder dergleichen. The control device 6 is shown only schematically as a block in Fig. 1 and is implemented as an electronic control device 6. As shown by way of example in Fig. 1, the control device 6 can have a computing unit 61, such as a CPU, an ASIC, an FPGA or the like, and a data memory 62, in particular a non-volatile data memory such as a flash memory, an SD memory or the like, which can be read by the computing unit. As shown schematically in Fig. 1, the control device 6 is connected in a signal-conducting manner to the first and second valve devices 3, 5, to the pressure sensor 4, 7 and to the consumer system 205, in particular to the fuel cell arrangement 210. The signal-conducting connection can be implemented, for example, by wire, e.g. via a fieldbus system, or via a wireless connection, e.g. via WiFi or the like.
Die Steuerungseinrichtung 6 ist dazu eingerichtet, das Brennstoffzellensystem 200 zur Ausführung des in Fig. 2 dargestellten Verfahrens M zu veranlassen. Beispielsweise kann in dem Datenspeicher 62 Software gespeichert sein, die durch die Recheneinheit 61 ausführbar ist, um das System 200 zur Ausführung des Verfahrens M zu veranlassen. In einem ersten Schritt M1 ermittelt die Steuerungseinrichtung 6 einen Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems 205. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 6 eine aktuell von der Brennstoffzellenanordnung 210 erzeugte elektrische Spannung als Eingangsgröße erhalten und basierend darauf den Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems 205 berechnen, z.B. mithilfe eines im Datenspeicher 62 hinterlegten Rechenmodells, welches beispielsweise ein empirisch bestimmtes Kennfeld oder eine empirisch bestimmte Berechnungsfunktion enthalten kann. Grundsätzlich sind auch andere Möglichkeiten zur Ermittlung des Brennstoffmassenstrombedarfs denkbar. Während des Schritt M1 wird das Verbrauchersystem 205 vorzugsweise mit einem Massenstrom größer Null aus dem Tank 1 versorgt. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch durchgeführt werden, wenn der Massenstrombedarf des Verbrauchersystems 205 gleich Null ist. The control device 6 is designed to cause the fuel cell system 200 to carry out the method M shown in Fig. 2. For example, software can be stored in the data memory 62 which can be executed by the computing unit 61 in order to cause the system 200 to carry out the method M. In a first step M1, the control device 6 determines a fuel mass flow requirement of the consumer system 205. For example, the control device 6 can receive an electrical voltage currently generated by the fuel cell arrangement 210 as an input variable and calculate the fuel mass flow requirement of the consumer system 205 based on this, e.g. with the help of a calculation model stored in the data memory 62, which can contain, for example, an empirically determined characteristic map or an empirically determined calculation function. In principle, other possibilities for determining the fuel mass flow requirement are also conceivable. During step M1, the consumer system 205 is preferably supplied with a mass flow greater than zero from the tank 1. However, the invention is not limited to this, but can also be carried out when the mass flow requirement of the consumer system 205 is zero.
In Schritt M2 wird die erste Ventileinrichtung 3 geschlossen, um eine Gaszufuhr aus dem Tank 1 in ein Hochdruckleitungssystem 2 zu unterbrechen. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 6 ein Steuersignal an die erste Ventileinrichtung 3 ausgeben, um diese in ihren geschlossenen Zustand zu schalten. In step M2, the first valve device 3 is closed in order to interrupt a gas supply from the tank 1 into a high-pressure line system 2. For example, the control device 6 can output a control signal to the first valve device 3 in order to switch it to its closed state.
In Schritt M3 wird mittels des ersten Drucksensors 4 ein Druckverlauf in dem Hochdruckleitungssystem 2 bei geschlossener erster Ventileinrichtung 3 erfasst bzw. aufgezeichnet, z.B. über einen vorbetimmten Zeitraum, der z.B. zwischen 0,5 Sekunden und 5 Sekunden liegen kann. In step M3, a pressure curve in the high-pressure line system 2 is detected or recorded by means of the first pressure sensor 4 when the first valve device 3 is closed, e.g. over a predetermined period of time, which can be between 0.5 seconds and 5 seconds.
Im optionalen Schritt M31 wird mittels des zweiten Drucksensors 7 ein Druck im Mitteldruckleitungssystem 9 erfasst, insbesondere während die erste Ventileinrichtung 3 geschlossen ist. In the optional step M31, a pressure in the medium-pressure line system 9 is detected by means of the second pressure sensor 7, in particular while the first valve device 3 is closed.
In Schritt M4 ermittelt die Steuerungseinrichtung 6 einen theoretischen Ist- Massenstrom in dem Hochdruckleitungssystem 2 basierend auf dem erfassten Druckverlauf. Z.B. kann die Steuerungseinrichtung 6 einen Druckgradienten aus dem Druckverlauf berechnen und mithilfe der idealen Gasgleichung und einer Massenbilanz über das Hochdruckleitungssystem 2 den theoretisch aus dem Hochdruckleitungssystem 2 abgeführten Massenstrom unter der Annahme berechnen, dass keine Leckageströme auftreten. In step M4, the control device 6 determines a theoretical actual mass flow in the high-pressure line system 2 based on the recorded pressure curve. For example, the control device 6 can calculate a pressure gradient from the pressure curve and use the ideal gas equation and a Mass balance over the high pressure pipe system 2 calculate the theoretical mass flow discharged from the high pressure pipe system 2 under the assumption that no leakage flows occur.
In Schritt M5 vergleicht die Steuerungseinrichtung 6 den berechneten theoretischen Ist-Massenstrom mit dem ermittelten Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems 205. Bei einem dichten Hochdruckleitungssystem 2, in dem keine nennenswerten Leckageströme auftreten, würde der theoretische Ist-Massenstrom mit dem ermittelten Brennstoffmassenstrombedarf, abgesehen von Mess- und Rechenungenaugigkeiten, übereinstimmen. Wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als einen Schwellwert von dem Brennstoffmassenstrombedarf abweicht, wie dies in Fig. 2 durch das Symbol „+“ dargestellt ist, geht das Verfahren zu Schritt M6 über. Der Schwellwert kann insbesondere die zuvor erwähnten Mess- und Rechenungenauigkeiten berücksichtigen. Wenn der theoretische Ist- Massenstrom um weniger als den Schwellwert von dem Brennstoffmassenstrombedarf abweicht, wie dies in Fig. 2 durch das Symbol dargestellt ist, wenn also keine nennenswertenIn step M5, the control device 6 compares the calculated theoretical actual mass flow with the determined fuel mass flow requirement of the consumer system 205. In a sealed high-pressure line system 2 in which no significant leakage flows occur, the theoretical actual mass flow would correspond to the determined fuel mass flow requirement, apart from measurement and calculation inaccuracies. If the theoretical actual mass flow deviates from the fuel mass flow requirement by more than a threshold value, as shown in Fig. 2 by the symbol "+", the method proceeds to step M6. The threshold value can in particular take into account the previously mentioned measurement and calculation inaccuracies. If the theoretical actual mass flow deviates from the fuel mass flow requirement by less than the threshold value, as shown in Fig. 2 by the symbol
Leckageströme auftreten, geht das Verfahren zu Schritt M7 über. Optional wird in Schritt M5 ferner ein Vergleich des in Schritt M31 erfassten Drucks im Mitteldruckleitungssystem 9 mit einem Mitteldruckschwellwert vorgenommen. If leakage currents occur, the method proceeds to step M7. Optionally, in step M5, a comparison is also made of the pressure in the medium-pressure line system 9 detected in step M31 with a medium-pressure threshold value.
In Schritt M5 kann eine Differenz zwischen dem theoretischen Ist-Massenstrom und dem Massenstrombedarf berechnet werden. Diese Differenz bzw. der Betrag der Differenz kann dann mit dem Schwellwert verglichen werden, um zu überprüfen, ob der Betrag der Differenz den Schwellwert überschreitet. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, kann auf das Vorliegen einer Leckage bzw. einer Undichtikeit in der ersten Ventileinrichtung 3 geschlossen werden, da in diesem Fall auch im geschlossenen Zustand der ersten Ventileinrichtung 3 Gas aus dem Tank 1 in das Hochdruckleitungssystem 2 nachströmt. Folglich ist bei konstanter tatsächlicher Massentstomentnahme durch das Verbrauchersystem 205 der Druckgradient bei geschlossenem Ventil 3 geringer als dies der Fall wäre, wenn das Ventil 3 dicht schließen würde. Umgekehrt kann auf das Vorliegen einer Leckage im Hochdruckleitungssystem 2 geschlossen werden, bei der aus dem Hochdruckleitungssystem 2 mehr Gas austritt als erwartet, wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. In step M5, a difference between the theoretical actual mass flow and the mass flow requirement can be calculated. This difference or the amount of the difference can then be compared with the threshold value to check whether the amount of the difference exceeds the threshold value. If the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value, it can be concluded that there is a leak or a leak in the first valve device 3, since in this case gas flows from the tank 1 into the high-pressure line system 2 even when the first valve device 3 is closed. Consequently, with a constant actual mass flow extraction by the consumer system 205, the pressure gradient when the valve 3 is closed is lower than would be the case if the valve 3 were to close tightly. Conversely, it can be concluded that there is a leak in the high-pressure line system 2 if more gas escapes from the high-pressure line system 2 than expected if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value.
In Schritt M7 kann die Steuerungseinrichtung 6 die erste Ventileinrichtung 2 wieder in die geöffnete Stellung schalten. In step M7, the control device 6 can switch the first valve device 2 back to the open position.
In Schritt M6 hingegen, also in dem Fall, dass ein Leckagemassentstrom vorliegt, erzeugt die Steuerungseinrichtung 6 ein Fehlersignal. Das Fehlersignal kann allgemein z.B. als Warnsignal ausgegeben werden und/oder das Fehlersignal kann einen Feherleintrag in den Datenspeicher 62 erzeugen. Auch ist denkbar, dass das Fehlersignal die Ausgabe eines Steuersignals durch die Steuerungseinrichtung 6 bewirkt, z.B. um die erste Ventileinrichtung 3 und/oder die Durchflussregeleinrichtung 5 zu betätigen. In step M6, however, i.e. in the case where there is a leakage mass flow, the control device 6 generates an error signal. The error signal can generally be output, e.g. as a warning signal and/or the error signal can generate an error entry in the data memory 62. It is also conceivable that the error signal causes the output of a control signal by the control device 6, e.g. to actuate the first valve device 3 and/or the flow control device 5.
Das Erzeugen des Fehlersignals in Schritt M6 kann z.B. ein Erzeugen eines ersten Fehlersignals umfassen, das ein Vorliegen einer Leckage in der ersten Ventileinrichtung 3 anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, wie dies oben erläutert wurde. In diesem Fall kann die Steuerungseinrichtung 6 in Schritt M6 insbesondere ein Warnsignal, z.B. in Form eines akustischen und/oder optischen Signals, ausgeben, wenn der theoretische Ist- Massenstrom kleiner einem unteren Schwellwert ist bzw. wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Alternativ oder zusätzlich kann in diesem Fall ein Notbetrieb des Verbrauchersystems 205 durch die Steuerungseinrichtung 6 aktiviert werden, z.B. in dem diese das Fehlersignal als Steuersignal an die Brennstoffzellenanordnung 205 ausgibt, um diese zu deaktivieren. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom größer einem weiteren unteren Schwellwert und kleiner dem o.g. unteren Schwellwert ist bzw. wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, kann die Recheneinheit 61 mit dem zweiten Fehlersignal beispielsweise einen Eintrag in den Datenspeicher 62 schreiben, insbesondere mit dem Inhalt, dass eine Leckage in der ersten Ventileinrichtung 3 vorliegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinrichtung 6 in Schritt M6 ein zweites Fehlersignal erzeugen, das ein Vorliegen einer Leckage in dem Hochdruckleitungssystem 2 oder dem Mitteldruckleitungssystem 9 anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Insbesondere kann das Erzeugen des zweiten Fehlersignals ein Ausgeben eines Steuersignals durch die Steuerungseinrichtung 6 umfassen, um eine Brennstoffentnahme aus dem Tank 1 und/oder dem Hochdruckleitungssystem 2 zu verriegeln. Insbesondere wenn der theoretische Ist-Massenstrom größer einem ersten oberen Schwellwert ist bzw. wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, kann ein Einleiten eines sicheren Betriebszustand erfolgen. In diesem Fall wird von einem hohen Leckagemassenstrom ausgegangen und die Steuerungseinrichtung 6 kann beispielsweise die erste Ventileinrichtung 3 und optional zusätzlich die Durchflussregeleinrichtung 5 in den geschlossenen Zustand schalten. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom größer einem weiteren oberen Schwellwert und kleiner dem zuvor genannten oberen Schwellwert ist bzw. wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, entspricht dies einem Fall, in dem nur ein weniger großer Leckagemassenstrom vorliegt. In diesem Fall kann die Recheneinheit 61 durch das zweite Fehlersignal einen entsprechenden Eintrag in einen Datenspeicher 62 schreiben, beispielsweise mit dem Inhalt, dass eine Leckage im Hochdruckleitungssystem 2 vorliegt, und/oder ein Warnsignal ausgeben und/oder einen Notfahrbetrieb einleiten. The generation of the error signal in step M6 can, for example, comprise the generation of a first error signal which indicates the presence of a leak in the first valve device 3 if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value, as explained above. In this case, the control device 6 can, in particular, output a warning signal in step M6, e.g. in the form of an acoustic and/or optical signal, if the theoretical actual mass flow is less than a lower threshold value or if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than a second threshold value. Alternatively or additionally, in this case, emergency operation of the consumer system 205 can be activated by the control device 6, e.g. by outputting the error signal as a control signal to the fuel cell arrangement 205 in order to deactivate it. If the theoretical actual mass flow is greater than a further lower threshold value and less than the above-mentioned lower threshold value or if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than a first threshold value, the computing unit 61 can use the second error signal to write an entry in the data memory 62, for example, in particular with the content that there is a leak in the first valve device 3. Alternatively or additionally, the control device 6 can generate a second error signal in step M6, which indicates the presence of a leak in the high-pressure line system 2 or the medium-pressure line system 9, if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value. In particular, the generation of the second error signal can include the output of a control signal by the control device 6 in order to block fuel extraction from the tank 1 and/or the high-pressure line system 2. In particular, if the theoretical actual mass flow is greater than a first upper threshold value or if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than a second threshold value, a safe operating state can be initiated. In this case, a high leakage mass flow is assumed and the control device 6 can, for example, switch the first valve device 3 and optionally also the flow control device 5 to the closed state. If the theoretical actual mass flow is greater than another upper threshold value and less than the previously mentioned upper threshold value, or if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than a first threshold value, this corresponds to a case in which only a smaller leakage mass flow is present. In this case, the computing unit 61 can use the second error signal to write a corresponding entry in a data memory 62, for example with the content that there is a leak in the high-pressure line system 2, and/or issue a warning signal and/or initiate emergency driving.
Weiterhin kann das Erzeugen M6 des Fehlersignals auch ein Erzeugen eines dritten Fehlersignals umfassen, das ein Vorliegen einer Leckage der Durchflussregeleinrichtung 5 anzeigt, wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, und wenn in Schritt M5 ermittelt wird, dass der in Schritt M31 in dem Mitteldruckleitungssystem 9 erfasste Druck größer dem Mitteldruckschwellwert liegt. In diesem Fall ist zu erwarten, dass die Durchflussregeleinrichtung 5 mehr Massenstrom durchlässt, als bei dem jeweiligen Öffnungsgrad der zweiten Ventileinrichtung 5 zu erwarten wäre, und in der Folge aufgrund des hohen Drucks im Mitteldruckleitungssystem 9 das Druckbegrenzungsventil 10 öffnet. Furthermore, the generation M6 of the error signal can also include the generation of a third error signal which indicates the presence of a leak in the flow control device 5 if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value, and if it is determined in step M5 that the pressure detected in step M31 in the medium-pressure line system 9 is greater than the medium-pressure threshold value. In this case, it is to be expected that the flow control device 5 lets through more mass flow than at the respective degree of opening of the second Valve device 5 would be expected, and as a result the pressure relief valve 10 opens due to the high pressure in the medium pressure line system 9.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar. Although the present invention has been explained above using exemplary embodiments, it is not limited thereto, but can be modified in many ways. In particular, combinations of the above exemplary embodiments are also conceivable.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren (M) zum Überwachen eines Gastanksystems (100), umfassend: 1. A method (M) for monitoring a gas tank system (100), comprising:
Ermitteln (M1) eines Brennstoffmassenstrombedarfs eines Verbrauchersystems (205),; Determining (M1) a fuel mass flow requirement of a consumer system (205);
Schließen (M2) einer ersten Ventileinrichtung (3), um eine Gaszufuhr aus einem Tank (1) in ein Hochdruckleitungssystem (2), das den Tank (1) mit dem Verbrauchersystem (205) verbindet, zu unterbrechen; Closing (M2) a first valve device (3) to interrupt a gas supply from a tank (1) into a high-pressure line system (2) connecting the tank (1) to the consumer system (205);
Erfassen (M3) eines Druckverlaufs in dem Hochdruckleitungssystem (2) bei geschlossener erster Ventileinrichtung (3); Detecting (M3) a pressure curve in the high-pressure line system (2) with the first valve device (3) closed;
Ermitteln (M4) eines theoretischen Ist-Massenstroms in dem Hochdruckleitungssystem (2) basierend auf dem erfassten Druckverlauf; Vergleichen (M5) des theoretischen Ist-Massenstroms in dem Hochdruckleitungssystem (2) mit dem ermittelten Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems (205); und Erzeugen (M6) eines Fehlersignals durch eine Steuerungseinrichtung (6), wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als einen Schwellwert von dem Brennstoffmassenstrombedarf abweicht. Determining (M4) a theoretical actual mass flow in the high-pressure line system (2) based on the detected pressure curve; comparing (M5) the theoretical actual mass flow in the high-pressure line system (2) with the determined fuel mass flow requirement of the consumer system (205); and generating (M6) an error signal by a control device (6) if the theoretical actual mass flow deviates from the fuel mass flow requirement by more than a threshold value.
2. Verfahren (M) nach Anspruch 1 , wobei das Erzeugen (M6) des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung (6) ein Erzeugen eines ersten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage in der ersten Ventileinrichtung (3) anzeigt, wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als den Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist 2. Method (M) according to claim 1, wherein the generation (M6) of the error signal by the control device (6) comprises generating a first error signal which indicates the presence of a leak in the first valve device (3) if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value
3. Verfahren (M) nach Anspruch 2, wobei das Erzeugen des ersten Fehlersignals ein Schreiben eines Eintrags in einen Datenspeicher (62) umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, und ein Ausgeben eines Warnsignals und/oder Einleiten eines Notfahrbetriebs durch die Steuerungseinrichtung (6) umfasst, wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Verfahren (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Erzeugen (M6) des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung (6) ein Erzeugen eines zweiten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage in dem Hochdruckleitungssystem (2) oder einem Mitteldruckleitungssystem (9), welches mit dem Hochdruckleitungssystem (2) verbunden ist, anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Verfahren (M) nach Anspruch 4, wobei das Erzeugen des zweiten Fehlersignal ein Schreiben eines Eintrags in einen Datenspeicher (62) umfasst und/oder Ausgeben eines Warnsignals umfasst und/oder Einleiten eines Notfahrbetriebs umfasst, wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, und ein Einleiten eines sicheren Betriebszustand durch z.B. Schließen der ersten Ventileinrichtungen umfasst, wenn der theoretische Ist- Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Verfahren (M) nach einem der Ansprüche, zusätzlich aufweisend: Erfassen (M31) eines Drucks in einem Mitteldruckleitungssystems (9) des Verbrauchersystems (205), welche über eine Durchflussregeleinrichtung (5) an das Hochdruckleitungssystem (2) angeschlossen ist; wobei das Erzeugen (M6) des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung (6) ein Erzeugen eines dritten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage der Durchflussregeleinrichtung (5) anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist und der in dem Mitteldruckleitungssystem (9) erfasste Druck größer einem Mitteldruckschwellwert liegt. Brennstoffzellensystem (200), aufweisend: ein Verbrauchersystem (205) mit einer Brennstoffzellenanordnung (210); ein Gastanksystem (100) mit einem Tank (1) zum Speichern von Gas, insbesondere Wasserstoff, einem mit dem Verbrauchersystem (205) verbundenen Hochdruckleitungssystem (2), einer ersten Ventileinrichtung (3), welche zwischen einem geöffneten Zustand, in dem sie den Tank (1) mit dem Hochdruckleitungssystem (2) verbindet, und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist, in dem sie den Tank (1) von dem Hochdruckleitungssystem (2) trennt, einem Drucksensor (4) zum Erfassen eines Drucks im Hochdruckleitungssystem (2) und einer Steuerungseinrichtung (6), welche mit der ersten Ventileinrichtung (3), mit dem Drucksensor (4) und dem Verbrauchersysstem (205) signalleitend verbunden und dazu eingerichtet ist, das Brennstoffzellensystem (200) zur Ausführung eines Verfahrens (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche zu veranlassen. Brennstoffzellenystem (200) nach Anspruch 7, wobei das Gastanksystem (100) eine Durchflussregeleinrichtung (5) aufweist, welche zum Anschluss des Hochdruckleitungssystems (2) an das Verbrauchersystem (205) zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist. 3. Method (M) according to claim 2, wherein generating the first error signal comprises writing an entry in a data memory (62) if the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than a first threshold value, and issuing a warning signal and/or initiating an emergency driving mode by the control device (6) when the theoretical actual mass flow is less than the fuel mass flow requirement by more than a second threshold value. Method (M) according to one of the preceding claims, wherein the generation (M6) of the error signal by the control device (6) comprises generating a second error signal which indicates the presence of a leak in the high-pressure line system (2) or a medium-pressure line system (9) which is connected to the high-pressure line system (2) when the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value. Method (M) according to claim 4, wherein generating the second error signal comprises writing an entry into a data memory (62) and/or issuing a warning signal and/or initiating emergency driving if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than a first threshold value, and initiating a safe operating state by, for example, closing the first valve devices if the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than a second threshold value. Method (M) according to one of the claims, additionally comprising: detecting (M31) a pressure in a medium-pressure line system (9) of the consumer system (205), which is connected to the high-pressure line system (2) via a flow control device (5); wherein the generation (M6) of the error signal by the control device (6) comprises generating a third error signal which indicates the presence of a leak in the flow control device (5) when the theoretical actual mass flow is greater than the fuel mass flow requirement by more than the threshold value and the pressure detected in the medium-pressure line system (9) is greater than a medium-pressure threshold value. Fuel cell system (200), comprising: a consumer system (205) with a fuel cell arrangement (210); a gas tank system (100) with a tank (1) for storing gas, in particular hydrogen, a high-pressure line system (2) connected to the consumer system (205), a first valve device (3) which can be switched between an open state in which it connects the tank (1) to the high-pressure line system (2) and a closed state in which it separates the tank (1) from the high-pressure line system (2), a pressure sensor (4) for detecting a pressure in the high-pressure line system (2) and a control device (6) which is connected to the first valve device (3), to the pressure sensor (4) and to the consumer system (205) in a signal-conducting manner and is designed to cause the fuel cell system (200) to carry out a method (M) according to one of the preceding claims. Fuel cell system (200) according to claim 7, wherein the gas tank system (100) has a flow control device (5) which can be switched between an open state and a closed state for connecting the high-pressure line system (2) to the consumer system (205).
Brennstoffzellenystem (200) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die erste Ventileinrichtung (3) ein schaltbares Magnetventil aufweist, das zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand schaltbar ist. Fuel cell system (200) according to claim 7 or 8, wherein the first valve device (3) has a switchable solenoid valve that can be switched between the open state and the closed state.
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